数字化学习技术标准发展的趋势、框架和建议

□ 赵厚福 祝智庭 吴永和

数字化学习技术标准发展的趋势、框架和建议

□ 赵厚福 祝智庭 吴永和

本文梳理了学习技术标准发展的趋势，并在此基础上分析了未来学习技术标准的概念框架，进而为我国数字化学习技术标准体系的建设提出建议。

学习技术标准；发展趋势；概念框架；资源库互操作；工具互操作

数字化学习技术标准在数字化学习的发展中起到了积极的推动作用，一方面数字化学习技术标准先进的设计理念为数字化学习的发展提供了思路，另一方面也为数字化学习的发展铺平了技术道路。数字化学习技术标准的发展已经经历了十几年的历程，最近新的学习技术标准的出现，以及原有技术标准的更新，都呈现出了一些新的趋势。文本将梳理这些趋势，并在此基础上分析未来学习技术标准的概念框架，进而为我国下一步数字化学习技术标准体系的建设提供参考。

一、数字化学习技术标准的发展趋势

当前国际上的学习技术标准组织主要是AICC、IMS、ADL、IEEE LTSC和ISO。IMS最近推出了新的学习技术标准IMS CC（Common Cartridge），ADL的SCORM则开始转为由学习教育培训互操作LETSI（Learning,Education and Training Systems Interoperability） 负责，开发SCORM2.0。在ISO的国际合作中，欧洲标准组织CEN积极推荐他们学习者迁移方面的标准，包括学分信息模型、文凭补充说明、课程交换格式、学习机会元数据等等。我国的学者也在积极思考数字化学习技术标准进一步的发展，并提出了一些重要的原创性思想。纵观这些学习技术标准的新发展，主要呈现出以下几个趋势[1]。

1.学习资源与知识本体的结合

（1） 现状及问题

现有的学习资源相关的数字化学习技术标准，最成熟的和广泛应用的主要是学习对象元数据、内容包装和问题测试互操作这三个。不管是IMS、SCORM，还是我们国家的CELTS体系都是这样。仔细分析这些标准不难发现，它们都是与学习资源实体紧密相关的。学习对象元数据描述的学习对象，不管是最小粒度的资源文件还是经过内容包装打包以后的学习包，都是资源实体，即物理存在的文件。内容包装描述的学习包结构，实际上也是实体资源的组织结构。问题测试互操作描述的是一类特殊资源实体，即问题和测试。

学习者进行学习时，可以直接搜索的自然也就是这些实体资源。得到资源以后学习的也是这些材料。然而资源仅仅是学习的材料和载体，学习的真正内容是隐含在这些学习资源中的知识和能力，这才是真正需要关心的东西。然而现有的学习技术标准没有将学习资源和这些知识和能力联系起来。包括九大类众多信息的学习对象元数据甚至也不能清楚地让任何人知道，当学习者学习完一个学习对象或一组学习资源时，学习者到底掌握了哪些知识和能力。

造成这一问题的原因在于，现有的学习技术标准体系中没有描述知识能力以及知识能力体系的技术标准，也没有将学习资源和知识能力联系起来的机制。

（2） 解决方法

那么，有没有表示知识能力，以及知识能力体系，并将资源和知识能力联系起来的方法呢？答案是肯定的。在图书馆以及信息管理领域中就有知识表示的方法，而且还很丰富。这些方法可以分为以下三个大类：术语列表、分类法和关系列表[2]。

术语列表强调一系列有完好定义的术语，通常不包含术语之间的关系；分类法强调关于主题的集合的创建，对术语之间关系的揭示着重于属分关系，一般是树状结构的；关系列表强调术语及其之间关系的多方面描述，术语之间关系的揭示不仅仅局限于用、代、属、分、参等关系，还可以包括整体部分关系、蕴含关系等多种复杂的关系，一般是网状结构的。

而在互联网的语义网领域，也出现了支持这些传统方法的技术，主要是SKOS和OWL，两者都是建立在RDF(S)[3]基础上的。

RDF(S)（资源描述框架：Resource Description Framework Scheme） 使用类、属性和属性值三元组，提供了一种通用的数据模型和领域描述方式，但它不是针对特定领域的，没有为任何领域定义语义。

SKOS[4]（简单知识组织系统：Simple knowledge Organization System） 建立在 RDF的基础上，它使用RDFS提供的通用方法定义了Concept类以及相关标签属性用于表示概念；通过语义关系属性，例如broader、narrower、related等表示概念之间的关系；通过概念框架相关词汇，例如ConceptScheme、InScheme等表示概念框架；使用主题标引属性，例如subject、isSubjectOf等建立概念和资源之间的联系。

OWL[5]（本体web语言：Ontology Web Language）也是以RDF为基础的，但它吸收了描述逻辑作为其内在逻辑基础，因而有着更强的描述和推理能力，可以表示复杂的本体。

此外欧洲标准委员会的学习技术工作组则更进一步，已经提出了一个草案，称为CEF[6]（课程交换格式：Curriculum Exchange Format），专门有数字化学习领域。它定义了Term类用于表示概念和知识，定义了Relation类用于表示概念之间的关系，进行知识的组织，形成知识系统。还定义了一个CEF类用于表示一门课程，用于包含Term和Relation，来实现课程所含知识的比较和交换。

（3） 小结

由此可见，学习资源和知识本体相结合的趋势已经显现，相关的方法和技术也渐趋成熟，为知识本体数字化学习技术标准提供了重要参照，制定知识本体数字化学习技术标准的时机已经到来。

2.学习资源与学习活动的结合

（1） 现状及问题

在现有的数字化学习技术体系中，学习资源和学习活动是分离的。几乎所有的学习管理系统都是由多个独立的功能模块组成的。课程描述模块用于提供课程描述、学习建议；学习资料模块用于创建、上传、管理、呈现或者下载学习资料；讨论区模块用来供师生组织讨论；作业模块用于布置、提交和批改作业；测试模块用于编写、运行测验。表面上看，好像所有传统的教学方式，现在的技术都已经实现了，但实际上并非如此。

在传统课堂中，老师讲完了知识，会提问学生相关的问题，组织学生讨论学习内容，也会布置作业或者进行小测验。所有这些活动都是在一个连续的学习过程中完成的，而且仅仅围绕所要学习的知识。

但在学习管理系统中则完全不是这样。学生要学习资料时，需要到学习模块中进行；教师要组织讨论，需要到讨论模块中手动增添讨论话题，学生再切换到讨论模块中进行讨论；要进行作业或者测试还要到相应的模块中查找与当前学习内容相关的作业和测试。这导致数字化学习过程的破碎和迷航。

现在像Moodle和Claroline这样的学习管理系统也提供了学习路径这样的功能，将一个完整学习过程的所有环节集中在一起，为学生提供一个学习线索。但整个过程仍然只是表面上的连续，学习管理系统无法控制学生的学习行为，学生可以跳过任何一个学习环节。

（2） 解决方法

控制学生学习行为的一种方法是使用课程编列。课程编列是CELTS中的名称，在IMS中称为简单排序，在SCORM中称为排序与导航。虽然名称不同，但都是一脉相承的。不过课程编列仅是针对学习资源的。它通过在学习资源包的每个节点上添加排序信息来实现，仅仅可以控制学生浏览学习资源的顺序，无法将其它的学习活动，例如作业、讨论和测试融入资源包，并控制它们的运行。

更进一步的解决方案是学习设计。学习设计可以表示任何的学习活动，也可以由学习管理系统来控制学生的学习行为。将来学习管理系统加载的不再是资源包，而是学习设计包。学生运行一个学习设计，实际上就是启动了一次学习过程。在这个过程中，学生依次进行各项学习活动。学习活动会出现“元学习活动”的概念，即最小粒度的学习活动，也是学习活动的基本类型，比如阅读、问答、测试、讨论、作业等等。每一个学习活动都有关联的学习资源，例如阅读材料、问题和答案（QTI表示的内容）、讨论主题、作业材料等等。也有关联的学习工具，例如各种基本媒体资料显示的浏览器，考试系统，讨论区工具和作业工具等等。学生进入某个教学活动时，学习管理系统会调用相应的学习材料，也会启动支持这种学习活动的工具。

目前的学习设计规范虽然可以表示学习活动，也可以通过环境要素来应用资源和工具，但这些资源和工具与学习活动是紧密联系在一起的，无法分离。这样就导致了，一方面，教师必须将学习资源打包到学习设计中，给将来学习资源的改动造成麻烦；另一方面也会增加运行学习设计的工具的复杂度，也就是说，它必须支持所有的教学活动类型，这给软件的开发带来了很大的难度。

为了解决这一问题，在IMS最新发布的“通用弹夹”CC[7]（Common Cartridge） 规范中，学习资源与学习工具在部署上互相分离。学习资源存储在内容资源服务器上，各种学习活动资源，例如讨论、作业等不依赖于具体的学习工具，可以部署和运行在任何符合规范的学习工具上，学习管理系统运行某一个学习活动时，可以调用相应的学习工具。这为学习内容与学习活动的整合提供了更为便捷的方式。

（3） 小结

学习设计和IMS CC规范为学习过程的设计、学习活动和学习资源的动态结合、学习活动和学习工具的动态结合提供了基础。整合好这些规范，是促进数字化学习技术标准发展的关键。

3.学习资源与人际网络的结合[8]

（1） 现状及问题

广义的学习资源既包括学习者在学习过程中使用的学习材料和媒体资源，也包括教师、同学、专家等人力资源。“联通主义”学习理论则进一步认为，学习是链接专门节点和信息源的过程，而学习网络中的节点不仅是学习对象，更重要的是参与网络的人。在传统的学校教育中，老师和同学构成了学习的人际网络，用联通主义的说法就是社会认知网络。例如学生上课没有听明白的问题，下课后立刻可以询问自己的同学，也可以请教老师。这种紧密的社会认知网络极大地促进了学生的学习。

然而在数字化学习领域，这种社会认知网络则几乎不存在。学生学习的资源仅仅是物化的实体文件。在数字化学习技术标准领域，与学习资源相关的标准考虑的也是物化的资源文件的共享和交换。与学习者相关的标准，从学习者身份标识到学习者信息，再到电子学档，都是用来表示学习者个人信息的，没有涉及到其他学习参与者，例如教师和专家，更没有涉及到人际网络的建立和共享，进而形成社会认知网络的问题。

更深一层的缺失是学习资源和人际网络之间的关联。学习者学习某个资源时，他不知道该和谁交流，或者该向谁请教，因为资源包中不包含学习同伴和教师的信息。

（2） 解决方法

解决上述问题的第一步是制定支持人际网络建立的相关技术标准。W3C中有一个可以参考的标准是FOAF[9]（朋友的朋友：Friend Of A Friend）。FOAF建立在RDF基础上，它使用RDFS提供的通用方法定义了新的词汇，用Person类及相关属性描述人的姓名、昵称、邮件、主页、Email等基本信息，用knows属性描述人和人之间的关联，用Group、Organization、Member等描述人的组织结构。

另一个可以参考的规范是IMS的Enterprise。它可以表示学校、企业等的人员组织结构。使用Person元素描述人的基本信息，如姓名、邮件、地址、电话、照片、在某个系统中的角色等。使用Group元素配合membership元素将人组成一个单位，这种单位可以是一个班级或者院系等实体组织，也可以是选修某门课程的学生这样的临时性组织。组还可以嵌套用于表示复杂的组织结构关系，如图1所示。

第二步是整合学习者相关规范与知识本体规范和学习资源规范，建立将知识与专家联系起来、将学习过程和教师联系起来、将学习活动和参与者联系起来的机制。当学生学习时，它知道当前知识掌握在哪些人手里，并且可以链接到这些人。在参与学习活动时，他也能知道还有谁在参与，并联系到他们进行相互协作。在FOAF中有Document、Sha1等描述人和文档之间的联系。

（3） 小结

通过借鉴FOAF和Enterprise，整合现有的学习者规范，来形成人际网络。再通过整合学习资源和学习者规范，来建立学习过程与人际网络之间的关联，最终可以实现社会认知网络，促进学生的学习。

二、数字化学习技术标准的概念框架

综合上述分析，我们认为将来的学习环境会出现资料库和学习工具的分离。资料库只负责资料的存储和检索，并保存资料的变动。工具负责支持学习活动，需要的数据从资料库提取。当学生的学习进入到某一类活动时，自动调用这些工具。可以用图2来表示将来数字化学习的整体概念框架。

1.框架中的组件

在概念框架中包含学习浏览器、资料库和学习工具集三类组件。

（1） 学习浏览器

学习浏览器是独立运行的软件，可以部署在台式计算机、笔记本电脑、PDA等任何终端设备上。学习浏览器能够调用其它学习工具，用来完成各种学习活动。学习浏览器的主要功能包括：

① 注册和验证学习者信息。学生使用浏览器时首先配置学生信息库接口，然后使用教育培训机构的学习者账号登录。学习浏览器可以连接到学生信息库，验证并提取学生的授权信息和偏好信息。

② 检索、显示知识。学生可以通过学习浏览器搜索知识本体库，并显示知识库返回的匹配知识点。知识点可以使用概念图的形式返回，包括与匹配知识点相关的知识。

③ 运行学习设计方案。学生选择要学习的知识以后，学习浏览器会到学习设计库中搜索教授该知识点的学习设计方案，并运行学生选择的方案。学习浏览器必须能够正确解析符合学习设计规范的方案。

④ 呈现学习资源。当学习设计方案运行后，学习浏览器可以呈现学习设计调用的学习资源。

⑤ 调用学习活动工具。当进入某个学习活动时，学习浏览器会调用相应的学习活动支持工具，例如考试工具、作业工具和讨论工具，来进行相应的学习活动。

⑥ 保存各种学习数据。学习浏览器记录学生学习中的所有过程信息和结果信息。像学习进度这样的过程信息可以存储在本地，供学习者下次学习时调用。学习结果信息，例如作业、测试成绩等等会提交给学生信息库，作为学生电子学档的一部分。

（2） 资料库

资料库只负责资料的存储和检索，并保存资料的变动。包括以下几种：

① 知识本体库。用于存储知识和能力本体。知识本体库必须能够导入和导出符合知识本体规范的知识能力描述文件。知识本体库还可以通过知识本体之间建立的语义联系支持知识的智能检索。

② 学习设计库。存储符合学习设计技术标准的学习设计方案。学习设计方案中包含关联的知识本体信息。可以通过知识点检索这些学习设计方案。

③ 学习资源库。保存各种类型的学习资源实体，包括用于直接呈现的学习资源，以及其它交互活动中使用的资源，例如讨论主题、测试问题和作业等等。这些资源可能被一个或者多个学习设计方案引用。当学习设计方案运行时，会动态调用这些学习资源。学习资源库必须支持这种动态调用。

④ 学生信息库。用于保存各种学生信息，包括个人信息、人际网络信息、偏好信息、绩效信息等等。学生信息库必须支持远程验证服务，并提供开放的接口供学习浏览器进行通讯。

（3） 学习工具集

学习工具一般只负责一种类型的教学活动，例如支持讨论、测试等等。当学生的学习进入到某一类活动时，自动调用这些工具。学习工具提供标准的接口供学习浏览器调用。

2.框架中的学习参与者角色

框架中参与到数字化学习中的角色包括学生、专家、教师、资源提供者、管理者、工具提供者六种。

（1） 学生

学生的主要活动是学习。他首先配置学习浏览器，例如各种资料库的地址，各种学习工具的调用接口等等。然后使用个人信息登录浏览器，搜索、浏览并选择要学习的知识，在学习浏览器中运行匹配的学习设计方案，参与到一个学习过程中，完成学习设计方案中的各个教学活动环节，达到预定的学习目标。

（2） 教师

在新的框架中，要让教师回归他的本质职责，不用考虑技术，而只考虑教学设计，制定学习设计方案。在这个过程中，教师主要考虑如何教授某个知识点，包括选择学习设计方案中使用的合适、优质的学习资源，设计教学环节和教学活动等等。教师的教学设计方案都以学习设计技术标准的规范格式存储在学习设计库中。每一个方案都包含教师信息，以便学生学习时知道教师是谁。

（3） 专家

专家负责拟定大的教学方案，包括各个专业、学历层次要学习的知识和技能，制定知识和技能体系。所有的知识本体信息都用规范的格式描述，存储在知识本题库中。这样做的目的有两个，一是用作学生学习的依据，比如一个专业要求的所有知识，或者一个培训课程要求的技能，为学生提供概念导图。二是用做课程交换和学分互认的基础。学生在一个教育机构中习得的知识和技能都可以匹配到另外一个知识体系中，由此判定学生是否达到了其它机构的要求。

（4）学习资源提供者

资源提供者负责制作资源，包括学习资源库中的所有资源类型。这些资源进入学习资源库后可以被教师在学习设计方案中引用，并且资源提供者可以独立更新它们。

（5）学习工具提供者

学习工具提供者开发支持学习活动的各种学习工具，例如辅助学习计算的计算器，用于支持作业的作业管理系统，支持讨论的视频会议系统，支持其它同步通信功能的即时通信工具，支持练习测试的考试系统等等。这些学习工具都提供开放的接口供学习浏览器调用。

（6） 管理者

管理者维护和利用学习者信息库中的各种学习者信息。例如为新入学的学生初始化个人信息和电子学档，利用学生学习过程中产生的学习成果和绩效信息进行跟踪和认证，提供学习支持服务，进行教务管理等等。

3.数字化学习流程

通过上面的分析，一次数字化学习的流程通常是这样的：

（1）学生登录学习浏览器，配置好各种资料库和学习工具。

（2）查询或者浏览知识本体库。

（3）知识本体库以概念图的形式返回查询结果，或者提供整个知识树。

（4）学生选择自己要学习的知识点，浏览器到学习设计库中搜索学习设计方案。

（5）学习设计库返回匹配的学习设计方案。

（6）学生运行学习设计方案，调用学习资源库中的学习资源。

（7）学习资源库返回学习设计方案需要的学习资源。

（8）学习设计方案通过开放接口调用相关学习工具。

（9）学习工具运行以支持各种学习活动的开展，并返回相关的结果信息。

（10）学习浏览器会调用学生信息库中偏好等信息，并提交学习过程中产生的绩效信息。

（11）学生信息库返回学生的个人及偏好信息，并保存各种绩效信息。

三、数字化学习技术标准的发展建议

表1列出了数字化学习概念框架中涉及到的学习技术标准，其中一些在我国的技术标准体系中已经存在，不再赘述。对需要关注和研究的标准则提供了可以参考的对象，并进行简单说明，为我国下一步数字化学习技术标准体系的建设提供参考。

1.学习活动设计

在学习资源类标准中，从应用的现实情况来看，元数据、内容包装和问题测试互操作都已经较为成熟，而学习活动的设计、排序控制和动态调用资源和工具等方面则是目前研究较为活跃的领域。应重点关注IMS的学习设计LD、简单排序SS和通用弹夹CC。

学习设计通过使用角色，也就是参与到学习过程中的人；环境，包括资源和工具；方法，也就是每个环节和活动，这三个要素来描述学习过程。它提供了描述教学设计的通用方法，从理论上讲，它可以描述任何教学模式。简单排序使用排序定义模型为每个学习节点定义排序规则，使用过程跟踪模型来记录学习过程数据，然后使用排序行为模型执行排序过程，达到了学习流程的排序和控制。通用弹夹引入了讨论、作业和测试等需要动态交互和工具支持的资源，为学习资源和学习活动的结合提供了思路。更为重要的是它允许学习管理系统运行学习包时动态调用独立存储在其它地点的学习资源，提供了与其他系统进行通信以进行授权认证和传递学习结果的方法。

表1 数字化学习技术标准体系

下一步重点要考虑的是如何将学习设计引入通用弹夹以便支持老师的教学设计，另一方面是如何将简单排序引入通用弹夹来支持学习环节的排序和控制，最后利用通用弹夹提供的学习资源独立存储，学习工具动态调用等方法实现理想的数字化学习。

2.学习者认知网络

在学习者类标准中，学习者标识与认证、学习者信息和电子学档都是应该积极推广的标准。除此之外应考虑设计学习者认知网络方面的标准。这方面可以参考FOAF。

3.资源库互操作

由于资料库与学习工具有逐渐分离的趋势，将来独立存在的资料库之间必须提供互操作的方法。资料库必须能够从外部进行查询、调用和提交资料变动。目前可以参考的规范主要是IMS数字资源库互操作 （DRI：Digital Repository Interoperability）。

IMS DRI[11]重点描述了提交 /保存 （submit/store）、搜索/提供（Search/expose）、聚集/提供（Gather/expose） 和请求/传递（request/deliver）四种互操作接口，如图3所示。在此基础上定义了进行互操作的消息格式，其中也包含了认证信息。并从学习者、资源创建者以及软件代理的角度描述了资源库互操作的使用情景（用例）。DRI为我们提供了实现资源库互操作的基本思路。

4.工具互操作

由于学习工具和学习浏览器是分离的，所以必须考虑工具互操作的问题。主要包括，如何通过学习浏览器配置学习工具，学习浏览器如何调用学习工具并向它传递各种数据，学习工具支持的学习活动完成以后如何将结果信息反馈给学习浏览器等等。目前可以参考的规范主要是IMS的工具互操作规范（TI：Tools Interoperability）。

IMS TI[12]定义了配置 （Configuration）、加载（Launch）、部署（Deployment）和结果（Outcome）四个核心服务用于学习管理系统和外部学习工具的互操作。四种服务通过代理工具（Proxy Tool）使用Web Service同外部工具集进行连接。见图4。此外TI还为每一种服务定义了消息和数据模型，用于实现互操作的通信和数据交换。TI为我们提供了实现工具互操作的基本思路。

5.知识本体和课程交换

在我国的学习技术标准体系中，还缺乏知识本体表示方面的标准。知识本体表示标准一方面用于构建知识库，为学生学习提供知识地图和知识树；另外一方面通过建立一个学科或者专业的知识能力图谱，将课程包括的知识点，或将学生取得某个认证所学习的知识点与之匹配就可以实现课程交换和知识能力认证的识别。标准方面主要参考SKOS和CEF。

相信随着数字化学习标准体系的不断完善，数字化学习的发展也将越来越深入和成熟。

[1]程罡，徐瑾，余胜泉．学习资源标准的新发展与学习资源的发展趋势[J]．远程教育杂志，2009，（4）：6-12．

[2]王一丁，王军．网络知识组织系统表示语言:SKOS[J]．大学图书馆学报，2007，（4）：30-34．

[3]W3C．RDF/XML Syntax Specification[S]．http://www.w3.org/TR/rdf-syntax-grammar/，2004．

[4]W3C．SKOS Core Guide[S]．http://www.w3.org/TR/2005/WD-swbpskos-core-guide-20051102/，2005．

[5]W3C．OWL Web Ontology Language Overview[S]．http://www.w3.org/TR/owl-features/，2009．

[6]CEN-ISSSWS-LT_N0528，Final Draft Curriculum Exchange Forat[S]．http://www.cen.eu，2009．

[7]IMS．IMS Common Caartridge Profile v1.0[S]．http://www.imsglobal.org/cc/ccv1p0/imscc_profilev1p0.html#0_pgfId-1752945，2008．

[8]程罡，余胜泉，杨现民．“学习元”运行环境的设计与实现[J]．开放教育研究，2009，（4）：27-36．

[9]W3C．FOAF Vocabulary Specification 0.9[S]．http://xmlns.com/foaf/0.1/，2007．

[10]IMS．IMS Enterprise Information Model1.1[S]．http://www.imsglobal.org/enterprise/entv1p1/imsent_infov1p1.html，2002．

[11]IMS．IMS Digital Repositories Interoperability-Core Functions Information Model[S]．http://www.imsglobal.org/digitalrepositories/driv1p0/imsdri_infov1p0.html，2003．

[12]IMS．IMS Tools Interoperability Guidelines[S]．http://www.imsglobal.org/ti/tiv1p0/imsti_guidev1p0.html，2006．

2009－11－30

赵厚福，讲师，华东师范大学教育信息化系统工程研究中心访问学者，聊城大学传媒技术学院（252059）。

祝智庭，教授，博士生导师，华东师范大学教育信息化系统工程研究中心主任（200062）。

吴永和,博士，高级工程师，华东师范大学网络教育学院技术部主任，教育信息化系统工程研究中心（200062）。

责任编辑 郑 重

G40-057

B

1009—458x（2010）02—0069—07